FERRİTİK PASLANMAZ ÇELİĞİN KENDİ KENDİNE İLERLEYEN YÜKSEK SICAKLIK SENTEZLENMESİ YÖNTEMİYLE (SHS-KKİYSS) Ni3Al METALLERARASI
BİLEŞİĞİN KAPLANMASI
Mustafa BEKEN
Yükseklisans Tezi Metalürji Eğitimi Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Niyazi ÖZDEMİR
ÖNSÖZ
“Ferritik Paslanmaz Çeliğin Kendi Kendine İlerleyen Yüksek Sıcaklık Sentezlenmesi
Yöntemiyle (SHS-KKİYSS) Ni3Al Metallerarası Bileşiğin Kaplanması” adlı yüksek
lisans tezimin hazırlanmasında deneyimlerinden yararlandığım danışman hocam Sayın Prof. Dr. Niyazi ÖZDEMİR’e sonsuz teşekkür ve şükranlarımı sunarım. Çalışma boyunca sürekli bilgi, tecrübe ve manevi desteklerini benden esirgemeyen saygıdeğer hocam Prof. Dr. Nuri ORHAN’a çok teşekkür eder ve şükranlarımı sunarım. Atölye çalışmalarında gerekli yardımlarını esirgemeyen ve büyük yardımlarını gördüğüm sayın Dr. Musa KILIÇ ve Burhan YILMAZ’a ve Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü hocaları, Arş. Gör. ve personeline, Fen Bilimleri Enstitüsü çalışanlarına ayrı ayrı teşekkürlerimi sunmayı bir borç bilirim.
Ayrıca, tezimin hazırlık ve yazım aşamasında maddi ve manevi desteklerini benden esirgemeyen aileme ve tüm dostlarıma sonsuz şükranlarımı sunarım.
Bu tez çalışmasını, TEF.12.02 numaralı proje kapsamında maddi olarak destekleyen FÜBAP ve çalışanlarına teşekkürlerimi sunarım.
Mustafa BEKEN ELAZIĞ-2014
İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ ... I İÇİNDEKİLER ... II ÖZET ... IV SUMARRAY ... VI ŞEKİLLER LİSTESİ ... VIII TABLOLAR LİSTESİ ... XI ÇİZELGELER LİSTESİ ... XII
1. GİRİŞ ... 1
2. TEMEL BİLGİLER ... 3
2.1 Paslanmaz Çelikler ... 3
2.1.1 Ferritik Paslanmaz Çelikler ... 6
2.1.1.1 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Mikroyapıları... 6
2.1.1.2 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Mekanik Özellikleri ... 9
2.1.1.3 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Korozyona Karşı Tutumları ... 11
2.1.2 Östenitik Paslanmaz Çelikler ... 13
2.1.2.1 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Mikroyapıları ... 16
2.1.2.2 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Mekanik Özellikleri ... 21
2.1.2.3 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Korozyona Karşı Tutumları ... 23
2.2 Metallerarası Bileşikler ... 28
2.2.1 Nikel Alüminat Metallerarası Bileşikler ... 30
2.2.1.1 Kullanım Önündeki Engeller... 30
2.2.1.2 Ni3Al ... 30
2.3 Yüzey İşlemleri... 32
2.3.1 Yüzey Kaplama ... 35
2.3.2 Yüzey Sertleştirme... 36
2.5.2 Tozların Parçacık Boyutu Ve Birbiriyle Bağlantısı ... 43
2.5.3 Parçacıklar Arası Katı Hal Difüzyonu ... 44
2.5.4 Isıtma Oranı ... 45
2.5.5 Atmosfer ... 45
2.5.6 Ateşleme Sıcaklığı Ve Yeşil (Yaş) Yoğunluk ... 45
2.5.7 Alaşım Elemanları İlavesinin Etkisi ... 46
3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ... 47
3.1 Çalışmanın Amacı ... 47
3.2 Malzeme Ve Yöntem ... 47
4. DENEYSEL SONUÇLARIN İRDELENMESİ ... 51
4.1 Numunelerin SEM Ve EDS Analizlerinin İrdelenmesi ... 53
4.2 Numunelerin XRD Analizlerinin İrdelenmesi ... 76
5. GENEL SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 82
ÖZET
Bu çalışmada, AISI 430 Ferritik Paslanmaz Çelik numuneler (SHS: Self Propagating High Temperature Synthesis) Kendi kendine İlerleyen Yüksek Sıcaklık Sentezlemesi (KİYSS) yöntemiyle Ni3Al metallerarası bileşiği ile kaplanarak işlem parametrelerinin ara
yüzey mikro yapısı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ni ve Al tozları (ağırlıkça % 87 Ni ve % 13 Al) olacak şekilde tartılmış ve homojen bir karışım elde etmek için, içerisinde 12 mm çapında seramik bilye olan mekanik bir karıştırıcıda, 16 devir/dk ile 24 saat süreyle karıştırılmıştır.
Karıştırılan tozlar daha sonra 12 mm çapında 10 mm kalınlığında paslanmaz çelik numuneler üzerine 1 mm kalınlığında 150, 200, 250 ve 300 MPa’ lık basınçlar altında soğuk kompaktlanmıştır.
Kompaktlanan numuneler, ön tavlama yapılmaksızın argon atmosferli bir odacıkta, üzerlerinde 40 N’ luk bir kuvvet uygulanarak ısıtılmış ve ateşlenmişlerdir.
Daha önce yapılan çalışmalarda, ateşleme ve yanma ile eş zamanlı olarak oluşan Ni3Al tabakasının paslanmaz çelik yüzeyine tutunamadığı görüldüğünden, ateşlenen
numuneler, pozisyonları değiştirilmeksizin 1000 ve 1100 C sıcaklıklarda 45 dakika süreyle difüzyon işlemine tabi tutulmuşlardır.
Bu çalışmanın birinci bölümünde konuya giriş yapılmıştır. İkinci bölümde temel bilgiler sunuldu. Üçüncü bölümde deneysel çalışmanın yöntemine yer verildi, dördüncü bölümde ise deney sonuçları verildi. Beşinci ve son bölümde çalışma sonunda elde edilen genel sonuç ve öneriler verildi.
SUMMARY
COATING OF FERRITIC STAINLESS STEEL WITH Ni3Al INTERMETALLIC
BY SELF PROPAGATING HIGH TEMPERATURE SYNTHESIS (SHS)
In this thesis, specimens from AISI 430 ferritic stainless steel were coated with
Ni3Al intermetallic by Self Propagating High Temperature Synthesis (SHS) method and
the effects of process parameters on the microstructures of the coated layer and interface were investigated. With this purpose, Al and Ni powders (1/3 atomic ratio) were mixed homogenously in a mechanical mixer with ceramic balls at 16 rpm for 24 hours.
Then the mixed powder, 1 mm in thickness was cold compacted on the stainless steel bars of 1 mm diameter and 10 mm height with the pressures of 150, 200, 250 and 300 MPa. The compacted specimens were ignited in a chamber under argon atmosphere by applying a force of 40 kN.
Since it was seen that in situ coating was not possible, the specimens were annealed at 1000 and 1100 C for 45 minutes immediately after ignition. It was concluded that the time and temperatures were enough for a sound interface and coating.
In the first chapter of the study, the subject is introduced. In the second chapter a literature research was given on the materials and the method (SHS) itself. In the third chapter, the experimental studies, materials and method were presented. In the fourth chapter the results and in the fifth and last chapter conclusion and recommendations are given.
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekil 2.1 20-100 °C’de Çeşitli paslanmaz çelikler ile karbonlu çeliğin ısı iletim
kabiliyetleri . ...4
Şekil 2.2 20-800°C’de çeşitli paslanmaz çelikler ile C’lu yapı çeliğinin genleşme katsayısı ...5
Şekil 2.3 20 °C’de çeşitli paslanmaz çelikler ile C’lu yapı çeliğinin özgül elektrik iletmedirenci ...5
Şekil 2.4 430 tipi ferritik paslanmaz çeliğin 788 °C’de tavlanmış pikral + HCl ile dağlanmış 100X mikroyapı resmi. Yapı eştaneli ferrit matriks ve dağılmış karbür parçacıklarından meydana gelmiştir. ...7
Şekil 2.5 1200 °C’den oda sıcaklığına suda soğutulması sonrası 430 tipi ferritik paslanmaz çeliğin aquaregiatgly cerol ile dağlanmış 500X mikro yapısı. Yapı ferrit matriste martenzit adacıklarını göstermektedir ...8
Şekil 2.6 446 tipi ferritik paslanmaz çeliğin 802°C’de tavlandıktan sonra HCl+Metanol ile dağlanmış mikro yapısı. Yapı eştaneli ferrit matriste dağılmış karbür parçacıklarından oluşmuştur ...8
Şekil 2.7 a) 815 °C’ de 1 saat tavlanmış ve su verilmiş, b) 815 °C + 1150 °C’de 1 saat tavlanmış ve su verilmiş Fe - %17 Cr - %0,002-0,061 C ferritik paslanmaz çeliklerin ¼boyutlu Charpy V-çentikli numuneleri için geçiş eğrisi ... 10
Şekil 2.8 Ferritik paslanamaz çelikler için artan numune kalınlığına göre sünek-gevrek geçiş sıcaklığı. Eğriler 409 ve 439 tiplerinden elde edilen veriler içindir. ... 11
Şekil 2.9 %18 Cr, %8 Ni içeren çeliğin mikroyapı resmi: a) tavlama sonrası yapısının tamamen östenitik olduğu görülmekte, b) soğuk şekillendirme sonrası görüntüsü . ... 17
Şekil 2.10 %18 Cr-%8 Ni paslanmaz çeliklerin yapısı üzerine karbonun etkisi ... 17
Şekil 2.11a Fe-Cr diyagramı üzerinde C’un etkisi (% 0,05C) . ... 18
Şekil 2.11b Fe-Cr diyagramı üzerinde C’un etkisi (% 0,05C) . ... 18 Şekil 2.12 304 tipi östenitik paslanmaz çelik şerit 1060 °C’ de 5 dakika tavlandıktan sonra
Şekil 2.14 Yarı kararlı 301 tipi ve kararlı 304 tipi paslanmaz çeliklerin mekanik özellikleri
üzerine soğuk deformasyonun etkisi ... 23
Şekil 2.15 Sülfürik asit içerisinde değişik Cr-Ni çeliklerinde tahribat. (Taralı alanlar, yılda 0,1mm’den az tahribatın olduğu alanları göstermektedir) ... 24
Şekil 2.16 Paslanmaz çelikte tanelerarası korozyona duyarlaşma sırasında tane sınırında karbür çökelmesinin şematik olarak görünümü ... 25
Şekil 2.17 Östenitik Cr-Ni çeliklerinde, tavlama süresine bağlı olarak tane sınırları yakınında Cr miktarının değişmesinin şematik görünümü ... 26
Şekil 2.18 90°C’de 2N H2SO4 içinde %8-9 Ni içeren Fe alaşımı anodik polarizasyonuna Cr içeriğinin etkisi . ... 27
Şekil 2.19 SHS işleminin fotografı ve şematik resmi .. Hata! Yer işareti tanımlanmamış. Şekil 3.1 Tozların kompaktlandığı kalıp [30]. ... 48
Şekil 3.2 Difüzyon kaynak düzeneğinin şematik görüntüsü. ... 49
Şekil 3.3 Ortadan ikiye kesilmiş numune. ... 49
Şekil 4.1 Arakesit Bölgesinin Kısımları ... 51
Şekil 4.2 Ni tabakasının reaksiyon ile meydana gelen çekme tesiri ile paslanmaz çelik yüzeyinden ayrılabildiği görülmektedir. ... 52
Şekil 4.3 Ni-Al faz diyagramı ... 52
Şekil 4.4 Fe-Ni-Al üçlü denge diyagramı (400 C) ... 53
Şekil 4.5 N1 nolu numunenin SEM görüntüsü... 56
Şekil 4.6 N1 nolu numunenin SEM ve XRD sonuçları. ... 57
Şekil 4.7 N2 nolu numunenin SEM görüntüsü... 59
Şekil 4.8 N2 nolu numunenin SEM ve XRD sonuçları. ... 59
Şekil 4.9 N3 nolu numunenin SEM görüntüsü... 61
Şekil 4.10 N3 nolu numunenin SEM ve XRD sonuçları. ... 61
Şekil 4.11 N4 nolu numunenin SEM görüntüsü. ... 63
Şekil 4.12 N4 nolu numunenin SEM ve XRD görüntüsü. ... 64
Şekil 4.13 Fe-Ni-Cr üçlü denge diyagramı (400 0 C). ... 64
Şekil 4.18 N7 nolu numunenin SEM görüntüsü. ... 72
Şekil 4.19 N7 nolu numunenin SEM ve XRD sonuçları. ... 73
Şekil 4.20 N8 nolu numunenin SEM görüntüsü. ... 75
Şekil 4.21 N8 nolu numunenin SEM ve XRD sonuçları. ... 76
Şekil 4.22 N1 nolu numunenin XRD grafiği... 77
Şekil 4.23 N2 nolu numunenin XRD grafiği... 77
Şekil 4.24 N3 nolu numunenin XRD grafiği... 78
Şekil 4.25 N4 nolu numunenin XRD grafiği... 78
Şekil 4.26 N5 nolu numunenin XRD grafiği... 79
Şekil 4.27 N6 nolu numunenin XRD grafiği... 79
Şekil 4.28 N7 nolu numunenin XRD grafiği... 80
Şekil 4.29 N8 nolu numunenin XRD grafiği... 80
TABLOLAR LİSTESİ
Tablo 3.1 Kullanılan Ferritik paslanmaz Çeliğin Kimyasal Bileşimi ... 47
Tablo 3.2 Kullanılan Ni ve Al tozlarının özellikleri. ... 48
Tablo 3.3 Deneylere Ait Parametreler ve Deney Koşulları. ... 50
Tablo 4.1 Deneylere Ait Parametreler, Deney Koşulları, SEM-EDS ve XRD sonuçları. .. 54
Tablo 4.2 N1 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçları... 55
Tablo 4.3 N2 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçları... 58
Tablo 4.4 N3 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçları... 60
Tablo 4.5 N4 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçları... 62
Tablo 4.6 N5 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçlar. ... 65
Tablo 4.7 N6 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçlar. ... 68
Tablo 4.8 N7 nolu numunenin SEM ve EDS sonuçlar. ... 71
ÇİZELGE LİSTESİ
Çizelge 2. 1 Paslanmaz çelik gruplarına ait fiziksel özellikleri ...4 Çizelge 2.2 Endüstride yaygın olarak kullanılan bazı ferritik paslanmaz çeliklere ait
mekanik ... 10
Çizelge 2. 3 Endüstride kullanılan bazı östenitik tip paslanmaz çeliklere ait fiziksel
özellikler ... 14
Çizelge 2. 4 Kimyasal kompozisyonları ve endüstride yaygın olarak kullanılanlarının tipik
uygulamaları ... 15
Çizelge 2. 5 Endüstride kullanılan östenitik paslanmaz çeliklerin nominal mekanik
özellikleri ... 21
Çizelge 2. 6 Yüzey mühendisliğinde uygulanan metotlar ... 34 Çizelge 2. 7 SHS işlem şeması ... 40
1.GİRİŞ
Son zamanlarda, kaplama teknolojisinde yapılan çalışmaların büyük bir kısmı reaksiyon sentezi üzerine yoğunlaşmıştır. Çünkü, bu reaksiyonların egzotermikliği, seramiklere göre daha düşüktür. Yine Ni3Al ve Ni3Al kompozitler üzerinde kendi ilerleyen
yüksek sıcaklık sentezi (KKİYSS veya SHS) de çalışılmıştır. Deney düzeneğinde, tipik olarak, karışmış tozlardan yapılmış bir peletin merkezine bir termokapıl (ısıl çift) yerleştirilmiştir. Bu pelet daha sonra oda sıcaklığında, vakum altında ateşlenir.
Metallerarası bileşikler metaller ile seramikler arasında yeni bir malzeme grubu olarak düşünülmekte ve gelecekte bu iki malzeme grubu arasındaki boşluğu dolduracağına inanılmaktadır.
Basit stokiometrik oranlarda göreceli olarak dar bileşim aralıklarında oluşan intermetaliklerin mükemmel yüksek sıcaklık mukavemet özellikleri çok ilgi çekicidir. Düzenli metaller arası bileşikler kritik düzenlenme sıcaklığının altında büyük oranda düzenli kristal yapılarıyla metalik malzemelerin eşsiz bir sınıfını oluştururlar. Bu bileşikler kendilerini oluşturan farklı atomların aralarında oluşturdukları kuvvetli bağlar nedeniyle oldukça farklı mekanik ve fiziksel özellikler gösterirler. Mukavemet ve tokluğun güzel bir kombinasyonunu oluşturan süperalaşımlar ancak 1100 0C’nin altında kullanılabilmektedir.
Modern mühendislik seramikleri ise daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmekte, fakat kovalent bağlanma nedeni ile kırılgan olmakta bu da kullanımını sınırlamaktadır. Metallerarası bileşikler, hem kullanım sıcaklığı hem de mekanik özellikler açısından metalik malzemeler ile seramik malzemeler arasındaki boşluğu doldurmaya aday malzemelerdir. Atomlar arası kuvvetli bağlar nedeni ile süperalaşımlardan daha yüksek mukavemet gösterirken, bağlanmanın hala metalik karakterde olmasından dolayı seramiklere göre daha az kırılgandırlar. Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilecek ideal bir malzeme yüksek ergime noktası, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklıklarda iyi mukavemet ve sertlik, yüksek sürünme özellikleri, oda sıcaklığında yüksek süneklik ve iyi bir oksidasyon ve korozyon direncine sahip olmalıdır. Ticari ve savaş jet motorlarının performansı çalışma sıcaklığı arttıkça artar. Bundan dolayı 1000-1600 0C sıcaklıklarda kullanılabilecek
Nikel esaslı süper alaşımlarda en önemli mukavemetlendirici Ni3Al’dir.
Konvansiyonel malzemelerin tersine Ni3Al ve alaşımlarında akma mukavemeti artan
sıcaklıkla düşme yerine artma gösterir. Ni3Al’ın tek kristali oldukça sünektir, fakat
polikristaller düşük sıcaklıklarda kırılgandır. Polikristalin Ni3Al’ın kırılganlığı tane
sınırlarındandır. Ni3Al oda sıcaklığında çevresel – bir dış faktör- kırılganlığa meyillidir.
NiAl’ın dört kilit avantajı vardır. Yoğunluğu nikel esaslı süper alaşımların yaklaşık üçte ikisi, termal iletkenliği bileşime ve sıcaklığa bağlı olarak nikel esaslı süperalaşımların 4 ile 8 katı, mükemmel oksidasyon direnci ve birçok intermetalik bileşikle karşılaştırıldığında plastik deformasyon kabiliyetini kolaylaştıran basit düzenli hacim merkezli kübik (CsCl) kristal yapısıdır. NiAl’ın potansiyel uygulamalarından birisi yüksek basınçlı türbin panelleridir [44].
Bu çalışmaya Ni3Al ve ferritik paslanmaz çeliğin kaplanabilirliği incelenmiş olup
2.TEMEL BİLGİLER 2.1 Paslanmaz Çelikler
Alaşımlı ve düşük alaşımlı çelikler, atmosferin etkisiyle yada değişik ortamların etkisiyle korozyona uğrarlar. Bu tür malzemelerden yapılmış yapı elemanlarını tahribattan korumak için, koruma boyası yapılabileceği gibi, ilave önlemlerinde alınması gerekir. Ancak teknikte, pasif korozyondan korumanın yeterli olmadığı ve malzeme seçiminin diğer koşulları sağlayamadığı önemli alanlarda vardır. Bu gibi durumlarda, paslanmaz ve aside dayanıklı çeliklerle sorun çözümlenebilir. Korozyona dayanıklı olabilmesi için korozyonun sebep olduğu kütle kaybının günde 2,4 g/m2 değerinden daha az olması gereklidir [1].
Paslanmaz çelikler, esas itibariyle Cr ve çoğu zaman Ni içeren alaşımlar olup, başlıca paslanmazlık özelliklerini kroma borçludurlar. Paslanmaz çelik üretmek için demire en az %12 Cr katılması gereklidir. Klasik teorilere göre Cr metal alt katmanlarını korozyondan koruyan bir oksit filmi oluşturmakla demir yüzeyini pasif hale getirir. Pasivite denen bu koruyucu tabaka çıplak metalin hava ile temasında ani olarak oluşur. Oluşumun hızlandırılması istendiğinde bir pasifleştirici işlem uygulanır; örneğin birkaç dakika süreyle % 10-50 yoğunlukta bir oksidan nitrik asit eriyiğine daldırılır. Paslanmaz çeliklere nikel katılması bu malzemelerin nötr veya zayıf oksitleyici maddeler içindeki korozyon dirençlerini arttırır, ancak maliyetlerini yükseltir. Yeterli miktarda nikelde östenitik kübik yüzey merkezli kristal yapısının oda sıcaklığında dahi kararlı kalmasını sağlayarak şekillendirilebilirlik ve sünekliğini iyileştirir.
Günümüzde 170 den fazla türü bulunan paslanmaz çelikler, değişik amaçlar için endüstride yaygın kullanım alanı bulmuşlardır. Bugün endüstride kullanılan paslanmaz çelik türleri martenzitik, ferritik, östenitik, çökelme sertleştirmeli ve çift fazlı paslanmaz çelikler olmak üzere beş grup altında toplanmaktadır. Ancak biz araştırmamız gereği yalnızca ferritik(teorik), östenitik ve bunların türevi olan stabilize paslanmaz çeliklerden ayrıntılı olarak bahsedeceğiz.
Her bir paslanmaz çelik grubuna ait ortalama fiziksel özellikler Çizelge 2.1’de verilmiştir. Bu çizelgede elastiklik modülü, yoğunluk, ısıl genleşme katsayısı, ısıl iletkenlik, özgül sıcaklık, elektriksel direnç ve ergime aralığı gibi ortalama veriler yer
Paslanmaz çeliklerin ısı iletimi özelliği karbon çeliklerinkinden farklıdır. Örneğin; yüksek kromlu çeliklerin ısıyı iletme kabiliyetleri karbon çeliklerininkinin yaklaşık yarısı kadardır. Östenitik tip paslanmaz çeliklerde bu durum daha da belirgin olup, ısı iletim kabiliyeti karbon çeliklerininkinin üçte birine kadar düşmektedir (Şekil 2.1). Bu durum kaynak sırasında oluşan sıcaklığın kaynak bölgesinde daha uzun süre kalacağı ve dolayısıyla bazı zorluklarla karşılaşılabileceği anlamına gelmektedir [2,3].
Şekil 2. 1 20-100 °C’de Çeşitli paslanmaz çelikler ile karbonlu çeliğin ısı iletim kabiliyetleri [2,3].
Yüksek kromlu paslanmaz çelikler genellikle karbon çelikleri ile aynı genleşme katsayısına sahiptir. Östenitik tip paslanmaz çeliklerde ise bu değer karbon çeliklerininkinden %50 daha fazladır (Şekil 2.2). Bu konu sadece kaynakçıyı değil aynı zamanda konstrüksiyonu yapan mühendisi de yakından ilgilendirmektedir.
Şekil 2. 2 20-800°C’de çeşitli paslanmaz çelikler ile C’lu yapı çeliğinin genleşme katsayısı [2,3].
Alaşımsız karbon çeliklerinin elektrik iletme direnci paslanmaz çeliklere göre düşüktür. Paslanmaz çeliklerde ise bu değer karbon çeliklerininkinden 4-7 kat daha yüksektir (Şekil 2.3). Bu nedenle paslanmaz çelik örtülü elektrotlar geleneksel elektrotlardan daha çabuk kızarırlar. Paslanmaz çelik elektrotların alaşımsız ve düşük alaşımlı demir elektrotlardan boy olarak daha kısa üretilmelerinin ve %25 kadar daha düşük akım şiddeti ile yüklenmelerinin temel nedeni de budur [2,3].
2.1.1 Ferritik Paslanmaz Çelikler
Bu tip çelikler sadece krom içeren paslanmaz çeliklerdir. %15-30 arasında krom içerirler ve kübik hacim merkezli (KHM) tane yapısındadırlar. Bu yapılarından dolayı bu çelikler faz dönüşümü gösteremediklerinden sertleştirilemezler. Krom içeriklerinin yüksek oluşu, korozyon ve oksidasyon dirençlerinin daha iyi olmasını sağlar. Bu tip çelikler atmosferik koşullardan etkilenmezler dolayısıyla oksitleyici kimyasallarda rahatlıkla kullanılabilirler. Bu çelikler özel korozyon ve ısı direncinin istendiği malzemelerdir. Ferritik paslanmaz çelikler manyetik olup, hem sıcak hem de soğuk şekillendirilebilirler. Ferritik paslanmaz çelikler tasarım mühendisliği açısından büyük öneme sahiptirler. Çünkü bunlar nikel içeren paslanmaz çelikler gibi aynı korozyon direncini sağlarlar fakat alaşım elementi olarak nikele ihtiyaç olmadığından maliyetleri daha düşüktür. Buna karşın ferritik paslanmaz çelikler sünekliklerinin azlığı, düşük çentik darbe dayancı ve düşük kaynaklanabilirliklerinden dolayı kullanım alanları östenitik paslanmaz çeliklere göre daha sınırlıdır. Standart ferritik paslanmaz çeliklerin süneklik problemlerini aşmak için düşük karbon ve azot içerikli yeni ferritik paslanmaz çelikler geliştirilmiştir. Bu alaşımlar iyi korozyon direnci ve kaynak kabiliyetine sahiptirler.
2.1.1.1 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Mikroyapıları
Ferritik paslanmaz çeliklerin yapısı normal ısıl işlem şartlarında esas olarak ferritik(α-Fe KHM tip) kalırlar. Dolayısıyla iç yapılarını ve mekanik özelliklerini ısıl işlemlerle değiştirmek mümkün değildir. Kuvvetli östenit yapıcı olan karbon belirli bir miktara ulaşınca kromun ferrit yapıcı etkisi ortadan kalkar, dolayısıyla östenitik veya martenzitik paslanmaz çelikler ortaya çıkar. Diğer yandan karbon yüzdesi arttırıldığı durumlarda ferritik içyapı isteniyorsa, krom yüzdesinin de arttırılması gerekmektedir. Ferritik çeliklerin kullanım yerleri tamamen krom miktarına bağlıdır. Bu bakımdan ferritik paslanmaz çelikler iki gruba ayrılırlar.
1.Grup : Düşük ve orta derecede Cr ve C içerikli Ferritik Paslanmaz Çelikler %13-18 Cr
veyaklaşık %0,06 C içerirler. (405, 409, 430 ve 434 kaliteleri).
Şekil 2. 4 430 tipi ferritik paslanmaz çeliğin 788 °C’de tavlanmış pikral + HCl ile dağlanmış 100X mikroyapı
resmi. Yapı eştaneli ferrit matriks ve dağılmış karbür parçacıklarından meydana gelmiştir. (Lecture)[4].
1. Grup ferritik paslanmaz çeliklerin mikroyapıları 900 °C’nin altında hemen hemen tamamen ferritiktir. Şekil 2.4’de 430 tip alaşımın 788 °C’de tavlanmış yapısı görülmektedir. Yapı kromca zengin α-Fe katı eriyiği ile karbonun büyük kısmının (Fe, Cr) karbür çökeltileri halinde taneler arasında ve ferrit matris içinde iyi dağılımından meydana gelmektedir. Karbonun ferrit içinde çok az eriyebilirliğinden dolayı çok az karbon katı eriyik içindedir. Bu tip alaşım 900 °C’nin üzerinde ısıl işlem uygulandığında östenit oluşur ve bu sıcaklıktan suda soğutulması sonucunda martenzite dönüşür. Şekil 2.5’da 430 tipi paslanmaz çeliğin 1200°C’den suda soğutulması sonucu meydana gelen yapısı gösterilmiştir. Şekil 2.6’de 446 tipi ferritik paslanmaz çeliğin tavlanmış durumdaki mikroyapısı gösterilmektedir. Bu alaşım mikro yapısı 430 tipi alaşımı mikro yapısından daha kaba bir dağılıma sahiptir. Buna karşın 446 tipi alaşımın 950 °C’ye ısıtılıp suda soğutulma sonrası 430 tipi alaşıma oranla daha azmiktarda martenzit oluşur [4].
Şekil 2.5 1200 °C’den oda sıcaklığına suda soğutulması sonrası 430 tipi ferritik paslanmaz çeliğin
aquaregiatgly cerol ile dağlanmış 500X mikro yapısı. Yapı ferrit matriste martenzit adacıklarını göstermektedir [4].
Şekil 2.6 446 tipi ferritik paslanmaz çeliğin 802°C’de tavlandıktan sonra HCl+Metanol ile dağlanmış mikro
yapısı. Yapı eştaneli ferrit matriste dağılmış karbür parçacıklarından oluşmuştur [4].
Ferritik çelikler kübik hacim merkezli bir kafes yapısına sahip olduklarından, düşük sıcaklıklarda göreceli olarak gevrek davranış gösterirler. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda tutma süresine bağlı olarak aşağıda açıklanan üç gevrekleşme olayı görülebilir;
• 400-550 °C arasında uzun süre kalmış veya yüksek sıcaklıktan yavaş soğutulmuş %15’denfazla krom içeren paslanmaz çeliklerde çökelmelerin yol açtığı 475 °C – gevrekleşmesi görülür. Bunu gidermek için gevrekleşmiş çelik 650-750 °C arasında bir sıcaklığa ısıtılıp hızla soğutulursa bu etki giderilmiş olur.
kolaylaştırır. Sigma fazı 950 °C üzerinde yapılacak bir tavlama ve bunu takip eden su verme ile yok edilebilir.
• 950 °C’nin üzerinde tane irileşmesi görülür ve tane sınırlarında krom karbür çökeltileri ortaya çıkar. Ti ve Ta/Nb gibi stabilizörlerin katılmasıyla tane irileşmesi ile karbür oluşumu engellenebilir. Öte yandan stabilize edilmemiş çeliklerin özellikle kaynak bağlantılarında 700-800 °C arasında yapılacak bir tavlama kromkarbürleri küreselleştirdiği gibi olası martenzit fazını da temperleyerek tokluğun daha fazla düşmesini engeller. Ayrıca tane sınırları yakınındaki krom dağılımı yayınma ile bir miktar düzenleştirilip, pasiflik sınırına yeniden ulaşılmış olur[5].
2.1.1.2 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Mekanik Özellikleri
Ferritik tip paslanmaz çeliklerin tavlanmış durumdaki nominal mekanik özellikleri Çizelge 2.2’de her bir ürün için detaylı olarak verilmiştir. Bu alaşımlar ısıl işlemle tamamen sertleştirilemedikleri için tavlanmış şartlarda kullanırlar. Bu şartlarda yapı eş eksenel taneli ferritik matriste dağılmış karbür parçacıklarından meydana gelmektedir. Standart ferritik paslanmaz çelikler, düşük karbonlu çeliklerden daha yüksek çekme ve akma dayanımına ve daha düşük uzamaya sahiptirler. [2,5,6].
Çizelge 2.2 Endüstride yaygın olarak kullanılan bazı ferritik paslanmaz çeliklere ait mekanik
Özellikler [2,5,6].
Tavlanmış şartlardaki Fe - %17 Cr alaşımının karbon ve azot içerikleri azaltıldığında darbe enerjisinin nasıl arttığı şekil 2.7’de gösterilmiştir. Bu alaşımın sünek - gevrek geçişi 815oC’de 1 saat tavlandığında ve su verildiğinde 0,002’den %0,61’e kadar bütün karbon seviyeleri için nispeten düşüktür. Buna karşın 815 °C’de 1 saat + 1150 °C’de 1 saat ısıtılıp su verildiğinde darbe direnci olağanüstü düşer. Bu nedenle düşük (-) sıcaklıklara sünek – gevrek geçiş sıcaklığını düşürmek için çok düşük karbon seviyesi gereklidir [4].
2.1.1.3 Ferritik Paslanmaz Çeliklerin Korozyona Karşı Tutumları
Ferritik paslanmaz çelikler klasik korozif ortamlar için iyi özelliklere sahiptirler, klorürlü ortamlara karşı, gerilmeli korozyon çatlamasına karşı, oksitleyici sıvı ortamlarda korozyona karşı, klorürlü ortamlarda oyuklanma ve çatlak korozyonuna karşı oldukça dirençlidirler.
Bu çelikler yaklaşık %13’ün üstünde krom içerirler ve 350-540 °C aralığında ilk faz çökelir. Maksimum etki ise 475 °C’de görülür. Çünkü çökeltiler düşük sıcaklık sünekliğini kötü yönde etkilerler, buda ferritik paslanmaz çeliklerin özellikle yüksek krom içerikli olanlarının kullanım ve uygulamalarında dikkate alınmak zorundadır.
Bu çeliklerin yapısı oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda tamamen ferritik kalırlar.(Titanyum ve niyobyum eklenmesi sonucu veya çok düşük oranda karbon ve azot içermeleri sonucu). Böyle mikroyapılar kaynak bölgesinde süneklik ve korozyon direnci sağlarlar. Molibden oyuklanma korozyon direncini iyileştirir, silisyum ve alüminyum yüksek sıcaklık oksitlenmesine karşı direnci arttırır. Ferritik paslanmaz çeliklerin genel korozyon dirençleri krom miktarları arttıkça artar ve çözündürme tavlaması uygulanmış %23-28 Cr en iyi korozyon direncini sağlar.
Bu gruba örnek 409 ve 439 tipleridir. 409 tipi %12 Cr’lu, düşük maliyetli ve iyi şekillendirilebilirliğe ve kaynak kabiliyetine sahiptir. Oda sıcaklığında sünek -gevrek geçiş sıcaklığı gerekliyse tavsiye edilen kalınlık yaklaşık 3.8 mm olarak sınırlandırılmıştır (Şekil 2.8). Atmosferik korozyon dirençleri fonksiyonel kullanımlar için uygundur.
439 tipi %18-20 Cr içerir ve klorürlü gerilmeli korozyon çatlamasına karşı dirençlidir. Genel ve oyuklanma korozyon dirençleri östenitik 304 ve 316 tipleri ile yaklaşık eşdeğerdir. Bu tür, sulu klorürlü ortamlar için, tatlı su güç makineleri için, ısı transfer uygulamaları için ve ev ve endüstriyel uygulamalar için uygundur. Eğer sünek - gevrek geçiş sıcaklığı gerekirse oda sıcaklığında veya daha düşük sıcaklıkta plaka kalınlığı yaklaşık 3,2 mm’yi geçmez [7].
Gerilmeli korozyon çatlamasına dirençleri ferritik paslanmaz çeliklerin en önemli avantajlarıdır. Ferritik çeliklerin klorürlü ve aşındırıcı gerilmeli korozyon çatlamasına dirençleri çok iyidir. Nikel ve bakır artıkları bu çeliklerin gerilmeli korozyon dirençlerini azaltır [8].
Krom azalmasıyla ferritik çeliklerin tanelerarası korozyona duyarlaşması tane sınırlarında kromkarbür ve nitrürlerin oluşması nedeniyledir. Karbon ve azotun ferrit içinde düşük çözünürlüğü ve daha yüksek difüzyon hızı sonucu ferritik çeliklerin kaynağında, kaynak bölgesinde ve komşu bölgede hassas alan oluşur. Tanelerarası korozyonu önlemek için karbon oranını azaltmak veya çelik bileşimine titanyum, niyobyum ekleyerek karbon ve azotu bağlamak gereklidir [8].
Oyuklanma korozyonuna direnç, klor konsantrasyonu ve maruz kaldığı zamana, sıcaklığa ve oksijen içeriğine bağlıdır. Genel olarak, krom içeriğini arttırarak oyuklanmaya direnç arttırılır. Bu çelikler güçlü oksitleyici ortamlardaki (nitrik asit) korozyona karşı çok iyi dirence sahiptir. Organik asitler içinde östenitiklere göre tüm ferritikler çok üstündürler, fakat redükleyici ortamlarda ferritik çeliklerin genel korozyon dirençleri östenitiklerden daha kötüdür [7].
Yüksek Kromlu Ferritik Çelikler; 442 ve 446 tipleri gibi yüksek kromlu ferritik paslanmaz çelikler birçok endüstriyel ortamda oksidasyona ve korozyona karşı mükemmel direnç gösterirler.
Yüksek kromlu ferritik çelik %18-30 krom içerirler. Titanyum bu çeliklerde kaynak veya farklı uygulamalar sırasında oluşan tanelerarası kromkarbür ve nitrür çökeltilerini engeller. Ferritik yapının ve kontrollü kompozisyonun sonucu, bu alaşımlar genel, tanelerarası ve oyuklanma korozyonu ve gerilmeli korozyon çatlamasına karşı iyi direnç gösterirler [7].
2.1.2 Östenitik Paslanmaz Çelikler
Daha önceki bölümlerde de bahsedildiği gibi nikel ve mangan gibi bazı elementler Fe-C faz diyagramında γ alanını genişletme yönünde etki gösterirler. Yeterli oranda alaşım elementi eklendiği zaman oda sıcaklığında kararlı yada yarı kararlı kübik yüzey merkezli östenitin varlığını devam ettirmesi mümkün olur. Karbon çelikleri için, yalnızca krom ilavesi γ alanını daraltacak yönde etki gösterir ve ferrit oluşumunu teşvik eder. Fakat , Ni içeren çeliğe Cr eklendiği zaman, γ → α dönüşümünün kinetiği gecikecek ve böylece oda sıcaklığında dahi östenit varlığını sürdürecektir.
Çeliğin kompozisyonunda Cr bulunması, yüzeyde çok ince, kararlı bir oksit film tabakası oluşturarak çeliğin korozyon direncini artıracaktır. Dolayısıyla krom-nikelli paslanmaz çelikler oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda korozif ortamlarda geniş oranda kullanılan malzeme olmuştur. Buna ek olarak östenitik paslanmaz çelikler kolay işlenebilirler ve ferritik çeliklerde oluşan sünek - gevrek geçişinin neden olduğu problemleri oluşturmazlar. Buda bu çeliklerin konstrüksiyon çeliklerinin en önemli grubu olmalarını sağlar [9].
Gerek kullanım, gerekse alaşım kalitelerinin çokluğu açısından en zengin paslanmaz çelik grubu olmuşlardır. Manyetik olmayan bu çelikler hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıklarda kübik yüzey merkezli kafes yapısına sahip iç yapılarını koruduklarından, normalleştirme ve sertleştirme ısıl işlemleri yapılamaz. Tavlanmış halde süneklikleri, toklukları ve şekillendirilebilme kabiliyetleri düşük sıcaklıklarda bile mükemmeldir. Mukavemetleri yalnızca soğuk şekillendirme ile arttırılabilir. Östenitik paslanmaz çelikler bileşimlerinde genellikle %16-25 krom ve %7-20 nikel bulundururlar. 2XX serisi östenitik paslanmaz çelikler bileşimlerinde nikel ile birlikte manganda içerirler. Bu seride, en çok %7nikel, %5 ile 20 oranında ise mangan bulunur ve azotun östenit içinde çözünürlüğü sayesinde dayanımları arttırılabilir. Katı çözeltide bulunan kristal kusurların içine yerleşen azot, östenit iç yapının mukavemetini arttırır. 3XX serisi ise daha fazla nikel ve en çok %2 oranında mangan içerir. 301 ve 304 kaliteleri en az alaşımlı olan türleridir ve 3XX serisinin temel alaşımları olarak kabul edilirler. Yaygın olarak kullanılan bazı östenitik paslanmaz çeliklerin fiziksel özellikleri Çizelge 2.3’de, kimyasal kompozisyonları ve tipik uygulama alanları ise Çizelge 2.4’da verilmiştir [4,5].
Çizelge 2. 4 Kimyasal kompozisyonları ve endüstride yaygın olarak kullanılanlarının tipik uygulamaları
2.1.2.1 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Mikroyapıları
Östenitik paslanmaz çelikler östenit kararlaştırıcı olan nikeli yüksek oranda içermeleri nedeniyle yüksek sıcaklık tavlamalarından sonra oda sıcaklığında östenitik (KYM) yapılarını korurlar. Bununla birlikte C, Mn ve N de östenitik yapının korunması ve kararlaştırılmasında katkıda bulunurlar. 2. bölümde de bahsedildiği gibi Fe-Cr alaşımlarına Ni ilave edilmesi östenitin dengede olduğu bölgeyi genişletir (Şekil 2.9) ve martenzit başlama (Ms) sıcaklığını düşürür. Bir %18 Cr- % 8 Ni paslanmaz çeliği tavlama
Şekil 2. 9 %18 Cr, %8 Ni içeren çeliğin mikroyapı resmi: a) tavlama sonrası yapısının tamamen östenitik
olduğu görülmekte, b) soğuk şekillendirme sonrası görüntüsü [4,9].
Buna karşın bazı Fe-Cr-Ni paslanmaz çeliklerde düşük krom ve nikel içeriklerinden dolayı östenit termodinamik olarak kararlı değildir. Bu tip alaşımlar oda sıcaklığında ve biraz aşağısında deforme edilirse östenitin bir kısmı martenzite dönüşebilir (ASM Handbook).
En yaygın olarak kullanılan paslanmaz çelikler önemli oranda karbon içerirler. Örneğin; 302 tipi alaşım genellikle yaklaşık %0,1 C ve 304 tipi alaşım ise %0,06 C bulundururlar. Östenitik paslanmaz çeliklerde karbon eriyebilirliği sıcaklık düştükçe %18 Cr- %8 Ni alaşımlarında olduğu gibi hızla düştüğü için bu alaşımlar yavaş soğutulurlarsa krom karbür çökelmeleri oluşabilir (Şekil 2.10).
Şekil 2.11 (a,b) ’de Fe-Cr diyagramında karbonun etkisi görülmektedir. %18 Cr içeren çeliğe adımadım karbon eklendiği zaman, çelik γ alanından yavaş yavaş soğutulursa, %0,04 C oranında yapı tamamen ferritiktir ve dönüşüm olmaz. %0,08 ile %0,22 C oranında (α+γ) yapısında kısmi dönüşüm mümkün olur, %0,4 C oranında ve üstünde çeliğin yapısı tamamen östenittir. Karbonun bunun yanı sıra ikinci bir etkisi de yapıda kromkarbür oluşturmasıdır.
K0 = M3C K1 = M23C6K2= M7C3
Östenitik çeliklerde, M23C6 en önemli karbür şeklidir ve korozyon direnci üzerinde ciddi etki gösterir [4,9].
Şekil 2.11b Fe-Cr diyagramı üzerinde C’ un etkisi (%0,4 C) [4].
Eğer %18 Cr’lu düşük karbonlu çeliğe Ni eklenmesi, γ faz alanını genişletir, %8 civarında Ni ilavesi oda sıcaklığında bile γ fazının oluşmasını sağlar. Düşük ve yüksek Cr içeriklerinde Ni ihtiyacı çok fazladır. Örneğin yüksek Cr’lu (%25) çelik oda sıcaklığında östenitik kalması için %15 civarında Ni gerektirir. Östenitin tamamen oluşmaması martenzitin oluşmasıyla açıklanabilir. Ms oda sıcaklığından daha düşükse kararlı bir östenit oluşabilir. %18 Cr- %8 Ni çeliğinin gerçekte Ms sıcaklığı oda sıcaklığının hemen altındadır ve soğutma sırasında (bu çelikte sıvı bölgeden) çok ciddi martenzit dönüşümü olacaktır [4,9].
Şekil 2.10’de, 900 °C’nin hemen altında M23C6 karbür fazının var olduğu gösterilmiştir. Fakat, çelik 1100-1150 °C’ye ısıtıldığı zaman bu karbür çözelti içeri gider ve soğutma sırasında çökeltişiz östenit meydana gelir. Bununla birlikte, 550-750 °C’ye yeniden ısıtıldığında M23C6 yeniden tercihli olarak tane sınırlarında çökelir. Bu nedenle tane sınırlarına yakın olan bölgeler korozyon direnci için gerekli olan %12’den daha aşağı düşürülmüş olan krom içeriğine sahip olurlar ve bu yüzden bu çelikler taneler arası
Bu çeliklerin tanelerarası korozyona duyarlı hale gelmelerini önlemek için bazı yöntemler geliştirilmiştir;
• Çeliğe stabilizörler ilave edilerek, iç yapı (östenit) kararlı hale getirilir. Bunlar karbona olan ilgileri kromunkinden daha fazla olan Ti, Nb ve Ta gibi elementlerdir. Bu sayede C yüksek sıcaklıklarda dahi krom karbür (M23C6) oluşturmayacak şekilde bağlanır.
• Çok düşük karbonlu çelikler kullanılabilir. Östenitik çeliklerde 650 °C’lik sıcaklıkta çözünebilen karbon miktarı %0,05’tir. C miktarı bu değerin altında olursa çözünen C, karbür oluşturamaz.
• Çeliğe çözme tavı uygulanabilir. 1050-1150 °C arasında tavlayarak çökelmiş karbürler çözündürülür. Daha sonra çelik hızlı soğutularak yeniden çökelme önlenir [5].
Şekil 2-12’de 304 tipi (östenitik) paslanmaz çelik şerit 1060 °C’de 5 dakika tavlanmış ve havada soğutulmuş mikro yapısı gösterilmiştir. Yapı eşeksenelöstenit tanelerinden oluşmuştur [4].
Şekil 2. 12 304 tipi östenitik paslanmaz çelik şerit 1060 °C’ de 5 dakika tavlandıktan sonra havada
soğutulmuş. Yapı eşeksenel östenit tanelerinden oluşmaktadır ve yapıda tavlama ikizleri görülmekte (250X) [4].
2.1.2.2 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Mekanik Özellikleri
Östenitik tip paslanmaz çeliklerin tavlanmış durumdaki nominal mekanik özellikleri çizelge 2.5’de her bir ürün için detaylı olarak verilmiştir. Östenitik paslanmaz çelikler, ferritik paslanmaz çeliklere oranla daha yüksek çekme dayanımına ve uzamaya, ancak buna karşın daha düşük akma dayanımına sahiptirler.
Çizelge 2. 5 Endüstride kullanılan östenitik paslanmaz çeliklerin nominal mekanik özellikleri [4,10].
Östenitik paslanmaz çelikler oda sıcaklığında östenitik (YMK) bir yapıya sahip olduklarından ısıl işlemle sertleştirilemezler buna karşın bu çeliklerin soğuk şekillendirme ile dayanımları daha fazla artabilir. Örneğin 301 tipi alaşımın akma dayanımı soğuk
Kararlı östenitik paslanmaz çeliklerin mikro yapıları soğuk şekillendirmeden sonra östenitik olarak kalır. Ancak yarı kararlı olan östenitik paslanmaz çeliklerin soğuk şekillendirme sonrası mikro yapıları belirli bir oranda martenzite dönüşür ve östenit - martenzit karışımı bir yapı ortaya çıkar Oda sıcaklığında yarıkararlı (301 tipi) ve kararlı (304 tipi) östenitik paslanmaz çeliklerin pekleşme davranışları arasındaki fark mühendislik gerilim - gerinim eğrisiyle şekil 2.13’de gösterilmiştir. 304 tipi normal pekleşme davranışı gösterir ve gerilimin uygulandığı süreçte normal pekleşmeye işaret eden parabolik bir eğri sergiler. Buna karşın 301 tipi yaklaşık % 10-15 deformasyondan sonra hızlandırılmış bir pekleşme davranışı gösterir. Bu hızlandırılmış pekleşme davranışına martenzit oluşumu neden olmaktadır [4,10].
Şekil 2. 13 301 ve 304 tipi paslanmaz çeliklerin mühendislik gerilim-gerinim eğrileri [4]
Verilen bir soğuk deformasyon miktarı için şekil 2.14’da yarı kararlı (301 tipi) ve kararlı (304 tipi) östenitik paslanmaz çeliklerin çekme, akma dayanımları ve uzamaları (%)karşılaştırılmıştır. Yarı kararlı çeliklerin yüksek dayanımı yine bir miktar yarı kararlı östenitin martenzite dönüşmesinin sonucudur [4,12].
Şekil 2. 14 Yarı kararlı 301 tipi ve kararlı 304 tipi paslanmaz çeliklerin mekanik özellikleri üzerine soğuk
deformasyonun etkisi [4,10].
2.1.2.3 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Korozyona Karşı Tutumları
Genelde östenitik paslanmaz çelikler diğer paslanmaz çelik türlerinden daha iyi korozyon direncine sahiptirler. Örneğin endüstriyel atmosfer ve asit maddelerine karşı oldukça dirençlidirler. Korozyon şartları çok şiddetli olduğunda yüksek sıcaklık ve kuvvetli asitler içinde 304 tipi alaşımın geliştirilmiş tipleri kullanılmalıdır.
Östenitik paslanmaz çeliklerin aktif potansiyeli ve kısmi potansiyeli, ferritik paslanmaz çeliklerle yaklaşık aynıdır. Öyle ki HNO3 karşısındaki dayanım her ikisi içinde benzer sınırlardadır. %65 konsantrasyona karşı östenitik paslanmaz çeliklerdeki aşınma yaklaşık 0,5mm/yıl, daha yüksek nitrik asit konsantrasyonlarında 5 mm/yıl değerine kadardır. H2SO4’ekarşı dayanım, çeliğin kompozisyonunda nikel bulunması ve ayrıca Mo ve Cu ilave edilmesiyle oldukça önemli miktarda artar ( Şekil 2.15) [1].
Şekil 2. 15 Sülfürik asit içerisinde değişik Cr-Ni çeliklerinde tahribat. (Taralı alanlar, yılda 0,1mm’den az
tahribatın olduğu alanları göstermektedir) [1].
Östenitik paslanmaz çeliklerin kullanımını sınırlayan etmenlerin başında tane sınırları korozyonunu saymak gerekir. Bu tür korozyon çelikte içerilen serbest karbonun kromla birleşerek krom karbüre dönüşmesi sonucu ortaya çıkar. Örneğin, kaynak işleminden hemen sonra havada soğumaya terk edilen parçalar belirli bir sıcaklık aralığında (450-850 0
C)yer alan krom karbür çökelmeleri ile tane sınırları korozyonuna dirençsiz hale gelir. Bu tutum ilk kez kaynak işlemi ile bağıntılı olarak gözlemlendiğinden kaynak hatası olarak adlandırılmıştır. Ancak, aynı tür ısıl etkiler kalıbı içinde soğumaya terk edilen döküm parçaları içinde geçerlidir. Kaynak ve döküm gibi üretim yöntemlerinin uygulanmasını büyük ölçüde kısıtlayan bu tutum östenitik paslanmaz çeliklerin en önemli sakıncası olarak ortaya çıkmış ve tanelerarası korozyona dayanıklı çeliklerin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Şekil 2.16’de östenitik paslanmaz çeliğin tanelerarası korozyona hassaslaşması, kromkarbür çökelmesi şematik olarak verilmiştir [8,13].
Şekil 2. 16 Paslanmaz çelikte tanelerarası korozyona duyarlaşma sırasında tane sınırındakarbür çökelmesinin
şematik olarak görünümü [13].
Östenitik paslanmaz çeliğin katı çözelti halinde kabullenebildiği karbon miktarı sıcaklıkla artar. 600 °C’nin altına inildiğinde karbon çözünürlük sınırının da %2’nin altına düştüğü görülür. Tane sınırlarına duyarlılık gösteren çelikler karbon miktarı bu değerin üstünde olan çeliklerdir. Bu sınırı aşan karbon miktarı tamamen katı çözelti durumuna geçemediğinden kromkarbürlerin ayrışmasına ve tane sınırları boyunca çökelmesine yol açar. Bu oluşumlar kromun tane sınırları içlerinden tane sınırlarına yayılma yolu ile ulaşmasını gerektirir. 550 -600 °C’nin altındaki sıcaklıklarda yayınma olayı çok yavaşlamış olacağından, %0.02’dendaha az karbon içeren çeliklerde çökelen karbür miktarı duyarlık oluşturacak seviyeye ulaşmaz. Kromkarbürler genellikle 900 °C’nin üstünde kararlılıklarını yitirirler. Dolayısıyla 900 °C’nin üstündeki sıcaklıkların duyarlılığa yol açması beklenmez. Çeliğin içerdiği krom miktarının yer ve zamana göre nasıl değiştiği şekil 2.17’da verilen krom miktarı – uzaklık grafikleri üzerinde görülebilir.
Şekil 2. 17 Östenitik Cr-Ni çeliklerinde, tavlama süresine bağlı olarak tane sınırları yakınında Cr miktarının
değişmesinin şematik görünümü [8].
1 numaralı eğri çözeltiye alma ısıl işleminden sonraki krom miktarı dağılımını gösterir. Bu durumda kromun miktarının tane sınırlarında ve tane içlerinde aynı olduğu varsayılan kromkarbür çökelmesinin başlangıç dönemindeki krom dağılımı ise 2 numaralı eğri ile verilmiştir. Krom karbürün büyük bir kısmı ile çökeldiği tane sınırları yakınları krom yönünden oldukça fazla fakirleşmiş ve bu bölgelerde krom miktarı pasifleşme için gerekli olan kritik değerin (yaklaşık %12-13) altına düşmüştür. Çelik bu dokusu ile korozyona karşı hassaslaşmıştır. Yani aktif durumda olan tane sınırları ile pasif durumunu koruyan tane içleri arasında kurulan korozyon hücrelerinin hızlı faaliyeti tane sınırlarının hızla çözünmesine yol açacaktır [8].
Kromun uzun mesafelerden, yani tane içlerinden tane sınırlarına ulaşımı çökelmenin başlangıç döneminde zamanın yetersiz olması nedeniyle gerçekleşmez. Böylece karbürlerin oluşumu için gereken kromun hemen tamamı tane sınırları yakınında sağlanır. Şekil 2.17’da 2 numaralı eğri ile gösterilen krom fakirleşmesinin sebebi budur. Ancak zamanla tane içlerinden tane sınırlarına ulaşan krom atomları tane sınırları yakınındaki krom miktarını yeniden yükseltir. (3 ve 4 numaralı eğrilerle gösterilen krom dağılımları). Krom miktarı pasifleşme için gerekli seviyeye yeniden ulaştığında karbür çökeltisi ile kaybedilen korozyon dayanımı yeniden kazanılmış olur (Doruk, 1982). Şekil 2.18’de, 304 tipi paslanmaz çeliğin değişen karbon içeriğine göre hassaslaşma diyagramı gösterilmiştir [10].
Şekil 2. 18 90°C’de 2N H2SO4 içinde %8-9 Ni içeren Fe alaşımı anodik polarizasyonuna Cr içeriğinin etkisi
[13].
Hassaslaşmaya neden olan birincil elementler bahsedildiği gibi Cr ve C’dir. Diğer elementler ikincil etkiye sahiptirler. Ni katı çözeltide C’nin aktivitesini yükseltir ve karbür çökelmesini kolaylaştırır. Mo, Cr gibi etki gösterir; tane sınırlarında karbür oluşturur. Mo’nun alaşım içinde düşük konsantrasyona sahip olması nedeniyle çok az etki gösterir [13].
Östenitik paslanmaz çeliklere %2 Mo ilavesi çukurcuk korozyon direncini artırır. Atak, çukurcuk maddesi yüksek klorür içerikleri için 316 tipi alaşımın içeriklerinden başka yüksek Ni, Mo içerikleri gereklidir. Ayrıca iç ve dış çekme gerilmeleri olduğunda gerilmeli korozyon çatlamasına rastlanır. Çoğu zamanda her iki korozyon tarzı birlikte görülür. Budurumda da çeliğin dayanımı Mo ilavesi ile artırılabilir. Standart alaşımlar, bazlar içerisinde düşük konsantrasyonlarda dayanıklıdırlar. Örneğin; NaOH, ilk olarak %10’dan fazla konsantrasyonlarda etkili olur. Kuvvetli alkali çözeltilerde, aynı zaman da yüksek sıcaklık ve gerilim mevcutsa gerilmeli korozyon çatlaması görülür.
2.2 Metallerarası Bileşikler
Basit stokiometrik oranlarda göreceli olarak dar bileşim aralıklarında oluşan intermetaliklerin mükemmel yüksek sıcaklık mukavemet özellikleri çok ilgi çekicidir [16]. Düzenli metaller arası bileşikler kritik düzenlenme sıcaklığının altında büyük oranda düzenli kristal yapılarıyla metalik malzemelerin eşsiz bir sınıfını oluştururlar [17,18]. Bu bileşikler kendilerini oluşturan farklı atomların aralarında oluşturdukları kuvvetli bağlar nedeniyle oldukça farklı mekanik ve fiziksel özellikler gösterirler.
Mukavemet ve tokluğun güzel bir kombinasyonunu oluşturan süperalaşımlar ancak 100oC’nin altında kullanılabilmektedir. Modern mühendislik seramikleri ise daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmekte, fakat kovalent bağlanma nedeni ile kırılgan olmakta bu da kullanımını sınırlamaktadır. Metallerarası bileşikler, hem kullanım sıcaklığı hem de mekanik özellikler açısından metalik malzemeler ile seramik malzemeler arasındaki boşluğu doldurmaya aday malzemelerdir. Atomlar arası kuvvetli bağlar nedeni ile süperalaşımlardan daha yüksek mukavemet gösterirken, bağlanmanın hala metalik karakterde olmasından dolayı seramiklere göre daha az kırılgandırlar [19,20].
Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilecek ideal bir malzeme yüksek ergime noktası, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklıklarda iyi mukavemet ve sertlik, yüksek sürünme özellikleri, oda sıcaklığında yüksek süneklik ve iyi bir oksidasyon ve korozyon direncine sahip olmalıdır. Ticari ve savaş jet motorlarının performansı çalışma sıcaklığı arttıkça artar. Bundan dolayı 1000-1600oC sıcaklıklarda kullanılabilecek malzemelere ihtiyaç
duyulmaktadır. Daha ileride 2000oC sıcaklıkta çalışabilecek malzemelere ihtiyaç
duyulacaktır [21].
Metallerarası bileşikler üzerindeki ilk araştırmalar oksitleyici ortamlarda oldukça koruyucu olan ince alüminyum oksit filmi oluşturmak için oldukça yüksek miktarda aluminyum içeren aluminatlara odaklanmıştır.[19] Bunlar içinde nikel, demir ve titanyum aluminatlar en çok ilgi çekenlerdir. Nikel, demir ve titanyum aluminatlar ile diğer düzenli yapıdaki metallearası bileşiklerin en büyük dezavantajları ise oda sıcaklığında gevrek kırılma ve düşük süneklik göstermeleridir. Oda sıcaklığındaki düşük kırılma mukavemeti ve şekillendirilebilme kabiliyeti aluminatların mühendislik malzemesi olarak kullanımını sınırlandırmaktadır.
oksidasyon ve sülfidasyonun oluştuğu endüstriyel uygulamalar için çok ilgi çekici olmuştur. Araştırma çalışmaları mekanik özelliklerin karakterizasyonuyla birlikte oda sıcaklığındaki sünekliğin artırılması, aşınma oksidasyon ve korozyon gibi fiziksel özelliklerin geliştirilmesi üzerinde odaklanmıştır [16]. Bu alaşımlar çok iyi oksidasyon ve korozyon direnci, düşük yoğunluk ve düşük maliyet açısından ferritik ve östenitik paslanmaz çeliklerden çok daha üstündür. Nikel esaslı süper alaşımlarda en önemli mukavemetlendirici Ni3Al’dir. Konvansiyonel malzemelerin tersineNi3Al ve alaşımlarında
akma mukavemeti artan sıcaklıkla düşme yerine artma gösterir [17,19]. Ni3Al’ın tek
kristali oldukça sünektir, fakat polikristaller düşük sıcaklıklarda kırılgandır. Polikristalin Ni3Al’ın kırılganlığı tane sınırlarındandır. Ni3Al oda sıcaklığında çevresel – bir dış faktör-
kırılganlığa meyillidir [19]. NiAl’ın dört kilit avantajı vardır. Yoğunluğu nikel esaslı süper alaşımların yaklaşık üçte ikisi, termal iletkenliği bileşime ve sıcaklığa bağlı olarak nikel esaslı süperalaşımların 4 ile 8 katı, mükemmel oksidasyon direnci ve birçok intermetalik bileşikle karşılaştırıldığında plastik deformasyon kabiliyetini kolaylaştıran basit düzenli hacim merkezli kübik (CsCl) kristal yapısıdır. NiAl’ın potansiyel uygulamalarından birisi yüksek basınçlı türbin paleleridir [22].
Ti3Al ve TiAl esaslı titanyum aluminatlar çok düşük yoğunluklarından dolayı
geliştirilmiş uçak motoru uygulamaları için çekici adaylardır. Kırılma direncinin olmamasına rağmen titanyum aluminatlar yüksek performans için büyük potansiyele sahiptirler. Bu alaşımlar konvansiyonel titanyum alaşımlarından daha yavaş difüzyon hızına sahip olduğundan mukavemetin korunması, sürünme ve gerilme kopması ve yorulma direnci gibi artan yüksek sıcaklık özellikleri gösterirler. En büyük dezavantajları ise düşük sıcaklıklarda düşük sünekliğe ilaveten yüksek sıcaklıklarda istenilenden daha düşük oksidasyon direnci göstermesidir [17,18].
Mg2Si metaller arası bileşiği havacılık ve taşımacılık sistemleri için kullanılabilecek
cazip bir malzemedir. Bu uygulamalarda yüksek sıcaklıklarda mukavemet sertlik ve diğer mekanik özelliklerini koruyabilen düşük yoğunluklu malzemelere ihtiyaç duyulur. Mg alaşımları düşük uygunluğu ve yüksek mukavemet/ağırlık oranından dolayı bu endüstriye hakim olan Al alaşımlarına bir alternatif olarak gelişmektedir [22] .
2.2.1. Nikel Alüminat Metallerarası Bileşikler
Bir nikel alüminat metallerarası bileşiği olan Ni3Al, benzersiz yüksek sıcaklık
dayanımı ve yüksek oksitlenme direncine sahiptir. Çok yüksek bir düzenli yapıya sahip olması 800 ila 900 C’ ler arasında oda sıcaklığında sahip olduğu akma ve sürünme dayanımlarından % 30 ila % 40 daha yüksek bir akma ve sürünme dayanımına sahip olmasını sağlamaktadır. Nikel alüminatlar % 12 kadar fazlalık alüminyum içerdikleri için, malzeme yüzeyinde koruyucu bir alüminyum oksit (Al2O3) tabakası oluşur. Bu da
oksitlenmeyi oldukça yavaşlatır ve yüksek sıcaklıklarda karbürlenme ve koklaşmaya karşı sıra dışı bir direnç meydana getirir. Dolayısıyla, ısıl işlem fırınları, çelik üretim ekipmanları ve diğer üretim işlemleri için de ideal bir malzeme grubunu oluştururlar.
2.2.1.1 Kullanım Önündeki Engeller
Bu faydalı özellikleri yanında gevrek olmaları bu malzemelerin endüstrideki yararlarını azlatıcı bir etki yapmaktadır. Endüstriyel uygulamalar ani yüklemelere, ani basınç değişiklerine cevap verebilecek veya enerji emme özelliği yüksek olan malzemelere ihtiyaç duyar. Ayrıca, şekillendirilir veya kaynak edilirken, kendilerine üstülük sağlayan özelliklerini yitirebilirler. Dolayısıyla, uygulama alanlarını genişletmek için Ni3Al
alaşımlarının gevrekliğini azaltıp, döküm, şekillendirme ve kaynak yeteneklerini artırmak gerekir.
Nikel alüminat olarak 3 malzeme vardır:
NiAl, CAS numarası 12003-78-0
NiAl3, CAS numarası 12004-76-1 Ni3Al, CAS numarası
2.2.1.2. Ni3Al
Metaller arası bir bileşik iki metal arasında oluşan düzenli faz yapılı bir alaşım olarak tanımlanabilir. Burada atomik yapıyı tanımlamak için düzenli alaşım fazının iki ya da daha çok alt kafes sisteminden oluşması gerekir. Düzenli faz, uzun mesafeli düzenli süper kafes örgüsüne sahip olduğu için üstün yüksek sıcaklık özellikleri gösterir: Çünkü bu
IC-221M olarak da bilinen Ni3Al, alüminyum, krom, molibden, zirkonyum ve bor dâhil
birkaç metal ile birleşmiş nikelden oluşmaktadır. Bor ilavesi alaşımın oda sıcaklığındaki sünekliğini artırır. Ayrıca sertliğini de yükseltir.
Bu alaşım (IC-221M ), paslanmaz çelikten 5 kez daha dayanıklıdır. Ayrıca, oda sıcaklığından 800 C ye kadar yüksek sıcaklıklarda, parça ısındıkça, dayanımı artar.
Alaşım ısı ve korozyona karşı çok dirençlidir ve bu nedenle ısıl işlem fırınları gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında uzun ömrü ve paslanmaz çeliğe göre daha yüksek korozyon dayanımı nedeniyle kullanım alanı bulur.
Bu malzemenin bir diğer özelliği de yüksek sıcaklıkta sahip olduğu yüksek dayanımı ile birlikte çok yüksek bir ısı iletkenliğine sahip olmasıdır. Bu özellikler yüksek dayanım ve düşük yoğunluğu ile de birleşince, gaz türbinleri ve jet motorlarındaki türbin kanatlarının kaplanması için bu alaşım ideal bir malzeme haline gelmektedir.
Yaygın bir bileşik olan Ni3Al’in ergime sıcaklığı 1395°C’ dir. Ni3Al, Ni esaslı süper
alaşımlarda ikincil faz olarak bulunur. Tek fazdan ibaret Ni3Al’in mukavemeti sıcaklık
artışıyla düşmez. Bu faz tek kristalli durumda sünek, çok kristalli durumda ise kırılgandır. Ni3Al kayma bölgelerindeki mukavemet 600°C-800°C arasında max. ulaşmaktadır. Düşük
polikristalin özelliğine sahip olan Ni3Al oda sıcaklığında gevrek yapıya sahiptir. Ni3Al’in
tane sınırları çökelme olmamakta ve empüriteler bulunmamaktadır. Aslında empüritelerin Polikristalin Ni3Al’e Bor(B) ilave ettiğimizde özellikleri önemli derecede iyileşmektedir.
Yapısal boşlukların büyük olmasına rağmen Ni3Al ile alaşımlarının mekanik özellik
davranışları son derece iyidir. Ayrıca aluminidler katı-eriyik etkisi ile sertleştirilebilmektedir. Farklı alaşımların 1000°C’de Ni3Al fazında (L12) eriyebilirliği üç
grup altında incelenmiştir: Birinci grup Si, Ge, Ti, V, Hf elementleri genelde alüminyum alt kafesine, ikinci grup Cu, Co ve Pt nikel alt kafes yapısına ve üçüncü grup Fe, Mn ve Cr elementleri ise her iki alt kafes yapısına yerleşmektedir. Alt yapıya yerleşmede, atom boyutundan çok elektronik yapı yani elementin periyodik tablodaki yeri yerleşme davranışı üzerinde daha etkili olmaktadır. Ni3Al’de katı eriyik oluşumu, atomik boyut uyumsuzluğu
ve Ni3Al - Ni3X arasındaki oluşum ısı farklılığı ile kontrol edilir. Ni3Al’in oda sıcaklığında
katı-eriyik sertleşmesi, alaşım elementinin yerleşme düzenine, atomik boyut uyumsuzluğuna ve alaşımın stokiometriden uzaklaşma derecesine bağlıdır.
uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca oksidasyon ve karbürizasyon direncinin yüksek olmasından dolayı kavitasyon – erozyon ve aşınma direnci yüksektir[24,25].
2.3.Yüzey İşlemleri
Teknolojinin çok hızlı ilerlediği günümüzde, dünya nüfusunun hızlı bir şekilde artışı teknolojik ürün talebinin de hızla artmasına sebep olmuştur. Enerji ve işçilik maliyetlerinin yüksek oluşu, hammadde üretilen makine ve sistemlerin maliyetini artırmıştır. Dolayısıyla kullanıcılar, yüksek fiyatlara alınan bu ürünlerden en yüksek verimi almak istemektedir. Bu durum kaliteyi de beraberinde getirmiştir. Mühendislik ürünlerinde dikkat edilen en önemli üç faktör emniyet, ekonomi ve estetiktir. Bir makine elemanı üzerine gelen yükleri büyük oranda yapısal özellikleriyle, aşınma, yorulma, korozyon gibi hasarları yüzey özellikleri ile karşılarlar. Dolayısıyla yüzey özelliklerinin önemli olduğu yerlerde sadece yüzeye ait özellikleri iyileştirmek hem maliyet hem de zaman açısından büyük tasarruf sağlamaktadır. Bunun sonucu olarak yüzey mühendisliği ve yüzey işlemleri terimleri ortaya çıkmıştır.
Son yıllarda triboloji ile uğraşan bilim insanları sürtünme ve aşınmaya karşı yüzey işlemleri ve kaplama uygulamalarının kullanımını büyük oranda artırmışlardır. Bu ise, değişik yüzey metotlarının ortaya çıkmasını sağlamıştır. Günümüzde kullanılan yüzey modifikasyon teknikleri, yüzey sertliği, aşınma direnci ve yorulma dayanımını artırmak amacıyla kullanılır. Yüzey sertleştirme işlemleri, ana malzemenin sertliğini değiştirmeksizin parçaların yüzeyden içeriye doğru sertleştirilerek aşınma dirençlerini artırmada kullanılırlar. Birçok makine parçasında aşınmaya karşı çok sert bir yüzey istenirken, aynı zamanda da çalışma esnasında çarpmaya karşı mukavemetli olması zorunludur. Malzemenin merkeze yakın kısmının yumuşak ve tok olması parçanın bütün olarak yüksek darbe mukavemeti göstermesini sağlar. Yüzey sertleştirme esnasında oluşan basma gerilmesi artışı ile malzemenin yorulma mukavemeti de artmaktadır. Bu işlemin bir avantajı da, daha ucuz olan düşük ve orta karbonlu çeliklerde kalın kısımların sertleştirilmesi esnasında ortaya çıkan çatlama ve distorsiyon problemi olmamasıdır. Yüzey sertleştirme işlemlerinde yeni bir tabaka ilavesi veya inşasını içeren metotlar ve parça boyutunda herhangi bir değişiklik veya tabaka ilavesi olmaksızın malzemelerin
Yüzey sertleştirme işlemlerinden tabaka ilavesinin olduğu ilk gruba, ince filmler, kaplamalar veya kaynaklı üst tabakalar girmektedir. Yüzey kaplamalar, taban malzemeden bağımsız olarak malzeme yüzeyine yeterli derecede bağlanan ve bileşim olarak tamamen taban malzemeden farklı ya da taban malzemeden çok az ihtiva eden kaplama malzemesiyle, yüzeyde istenen özellikleri karşılayabilecek yeni bir tabaka oluşturmak amacıyla yapılır. Bu yöntem iş parçasının tüm yüzeyinin sertleştirilmesine ihtiyaç duyulduğu durumlarda genellikle daha az maliyetle ürün kalitesini artırmayı amaçlamaktadır. Filmler, kaplamalar ve üst tabakaların yorulma performansı, ana malzeme ile ilave edilen tabaka arasında yapışma mukavemetine bağlı olabilir.
Yüzey sertleştirme işlemlerinde, yüzeyde tabaka oluşturmaksızın modifikasyonu içeren ikinci grubu difüzyon yöntemleri ve seçimli sertleştirme teknikleri oluşturmaktadır. Bir parçanın yüzeyinden içeriye doğru etkili bir şekilde sertliğini artırmak için çok sık olarak difüzyon teknikleri tercih edilmektedir. Buna karşılık seçimli sertleştirme metotları bir parçanın bölgesel olarak sadece istenilen kısımlarının sertleştirilmesine olanak sağlar. Seçimli sertleştirme, genellikle sadece ısıtma ve su vermeyi içeren transformasyon sertleştirilmesini içine alırken, bazı seçimli sertleştirme metotlarında (seçimli nitrürleme, iyon implantasyon, iyon ışın karışımı) ise bunun aksine yüzeyde bileşimsel bir modifikasyon söz konusudur.
Bazı yüzey işlemleri ve uygulanış nedenleri şöyle sıralanabilir: korozyonu önlemek için boyama ve kaplama, basma artık gerilmesi oluşturmak ve yüzey sertliğini artırmak için bilye püskürtme, martenzit tabakası oluşturmak için su verme, tribolojik ve korozif özellikleri iyileştirmek için ince film kaplama ve yüzeyin kimyasını değiştirme işlemleri şeklinde sıralanabilir. Çizelge 2.6’de yüzey işlemlerinin bir sınıflandırması yapılmıştır.
Çizelge 2. 6 Yüzey mühendisliğinde uygulanan metotlar [14].
Malzeme yüzeyinin sert ve aşınmaya dayanıklı, alt tabakanın ise sünek ve yeterli mukavemette olması istenildiğinde karbürleme, nitrürleme, alev veya indüksiyonla yüzey sertleştirme, lazerle yüzey sertleştirme, plazma nitrürleme, plazma esaslı fiziksel buhar depolama (PVD) ve kimyasal buhar depolama (CVD) yöntemleri kullanılarak yüzey sertleştirme ve aşınmaya dayanıklı malzemelerin üretilmesi gerçekleştirilmektedir [14].
2.3.1 Yüzey Kaplama
Günümüzde teknolojinin hızlı bir şekilde ilerlemesinin sonucu olarak ağırlaşan çalışma koşullarında kullanılan makine yapı elemanları ve malzeme (metal ve alaşımları): özellikle aşınma, korozyon, yorulma, oksidasyon ve yüksek sıcaklığa dayanım konularındaki talepleri tam olarak karşılayamamaktadır. Metal ve alaşımlarının üretiminde kullanılan hammadde rezervlerinin gün geçtikçe azalması ve artan maliyetler ile aşınma ve korozyonun neden olduğu büyük ekonomik kayıplar, alternatif malzeme arayışını hızlandırmış ve dikkatler süper alaşım, kompozit, sermet ve seramik gibi malzeme grupları üzerine yoğunlaşmıştır. Bu malzemelerin kullanım açısından çeşitli problemlerle karşı karşıya kalması nedeniyle metal ve alaşımları ile birlikte kullanımı gündeme gelmiştir. Bu birliktelik, metal ve alaşımdan yapılmış bir altlık malzeme yüzeyine, ince ve koruyucu değeri yüksek bir tabaka üretilmesiyle yani kaplanmasıyla gerçekleştirilmiştir.
Genellikle mühendislikte kullanılan malzemelerin istenen dayanıma sahip olması ve değişimler ortaya çıkmaktadır. Üretilen parçanın ömrünü ve kalitesin, arttırmak, çalışma ortamının olumsuz koşulların etkisini azaltmak ve bazı mekanik özelliklerini iyileştirmek gayesiyle çeşitli mekanik ve metalik olmayan kaplama yöntemleri geliştirilmiştir.
Yüzey işlemleri, kaplama ve yüzey dönüşüm işlemleri olarak sınıflandırılabilir. Kaplama, metal yüzeyine bir element ya da bileşiğin biriktirilerek bir kabuk oluşturması işleminin tümünü kapsar. Yüzey dönüşüm işlemlerinde ise yüzeyin içyapısı ve kimyasının değiştirilmesi söz konusudur.
Yüzey işlemleri ile malzemelere;
Optik amaçlı (yansıtıcı, yansıtıcı olmayan kaplamalar, optik diskler gibi),
Manyetik amaçlı (manyetik diskler, hard diskler),
Elektrik-elektronik amaçlı (yalıtıcılar, süper iletkenler, yarı iletkenler vs.),
Termal amaçlı (ısı engelleri, elektronik devre elemanı, soğutucular),
Kimyasal (yayınma engelleri, sıvı-gaz sensörleri vs.),
Aşınma-sürünme özelliklerini iyileştirme amaçlı (kesici takımlara uygulanan kaplamalar, yüksek sıcaklıklarda sürtünme özelliklerini geliştirmeye yönelik kaplamalar, yüksek sıcaklıklarda sürtünme özelliklerini geliştirmeye katı yağlayıcılı kaplamalar)
